基于虛擬差流技術(shù)的母線異常大數(shù)檢測方法

唐治國，周小波，陳琦，王永旭，陳宏巖

(南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211153)

基于虛擬差流技術(shù)的母線異常大數(shù)檢測方法

唐治國，周小波，陳琦，王永旭，陳宏巖

(南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211153)

隨著智能變電站的建設(shè)和就地保護(hù)的應(yīng)用，出現(xiàn)采樣異常大數(shù)的概率越來越高，這對母線保護(hù)的可靠性提出了更高的要求。提出一種應(yīng)用于母線保護(hù)的識(shí)別采樣異常的新方法，通過線性插值的方法虛擬出一個(gè)母線保護(hù)差流，比較實(shí)際計(jì)算的差流與虛擬差流的差異，能夠準(zhǔn)確區(qū)分出故障及異常大數(shù)，與已有算法相比具有數(shù)據(jù)窗小、能解決多點(diǎn)采樣異常等優(yōu)勢。通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法有效可行，能夠消除采樣異常大數(shù)對母線保護(hù)的影響，提高了母線保護(hù)的可靠性。

母線差動(dòng)保護(hù)；異常大數(shù)；虛擬差流；線性插值；差異系數(shù)

0 引言

隨著智能變電站的建設(shè)，電子式互感器和合并單元得到了廣泛應(yīng)用，基于IEC 61850-9-2的采樣值(SV)由于具有較好的一致性和互操作性，在智能化設(shè)備中得到了廣泛使用。目前在智能變電站中使用的典型方案為直接采樣，直接跳閘。常見的采樣接入方式有電子式互感器加合并單元以及常規(guī)互感器加合并單元兩種方式，但對于一些重要的變電站，仍由保護(hù)電纜接入常規(guī)采樣。

對母線保護(hù)而言，無論電子式互感器還是常規(guī)互感器，以合并單元方式接入的統(tǒng)一視為數(shù)字采樣。由于存在諸多環(huán)節(jié)，導(dǎo)致母線保護(hù)裝置接收到的采樣出現(xiàn)諸多異常[1]。

對于傳統(tǒng)互感器直接接入的母線保護(hù)，隨著設(shè)備就地化的發(fā)展，不可避免地面臨著更為嚴(yán)酷的電磁環(huán)境，同樣會(huì)出現(xiàn)采樣異常。

鑒于現(xiàn)場以及相關(guān)檢測試驗(yàn)中，已經(jīng)多次出現(xiàn)過異常大數(shù)的案例，如果不采取有效措施，母線差動(dòng)保護(hù)的可靠性將降低，嚴(yán)重影響設(shè)備的可靠運(yùn)行，甚至威脅電網(wǎng)安全。本文提出了一種采用虛擬母線差流的新方法，數(shù)據(jù)窗小，實(shí)現(xiàn)簡單，能夠消除異常大數(shù)對母線保護(hù)的影響，具有較高的實(shí)用性。

1 異常大數(shù)檢測方法

1.1 異常大數(shù)產(chǎn)生原因及研究現(xiàn)狀

對于數(shù)字采樣，由于存在電子式互感器及合并單元等環(huán)節(jié)，當(dāng)這些環(huán)節(jié)受到干擾或者異常后會(huì)出現(xiàn)以下特征[2]。

(1)SV配置異常。主要體現(xiàn)在媒體訪問控制(MAC)地址、應(yīng)用標(biāo)識(shí)符(APPID)、采樣控制塊標(biāo)識(shí)符(SVID)和配置版本號(hào)，該類異常在集成調(diào)試階段一般能夠發(fā)現(xiàn)及解決。

(2)鏈路異常、采樣數(shù)據(jù)異常以及采樣延時(shí)異常。主要體現(xiàn)在母線保護(hù)裝置與合并單元光纖中斷，或者光纖衰耗較大，或者合并單元本身發(fā)送數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，一般情況下由于有采樣異常，保護(hù)裝置能夠可靠閉鎖。

(3)雙模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)不一致。主要體現(xiàn)在保護(hù)接收的2路AD數(shù)據(jù)不一致，目前母線保護(hù)裝置一般采用告警的方式進(jìn)行提示，當(dāng)母線有區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障時(shí)，正常情況下能夠準(zhǔn)確動(dòng)作。

(4)采樣值丟幀及畸變。當(dāng)采樣值出現(xiàn)丟幀時(shí)，母線保護(hù)能夠可靠閉鎖；而當(dāng)出現(xiàn)采樣畸變時(shí)(異常大數(shù))，如果不采取合適的解決方案，將有可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。

對于傳統(tǒng)采樣，母線本身受到干擾如浪涌、快速瞬變或者裝置本身交流模件硬件故障同樣會(huì)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。

目前采樣異常大數(shù)的研究較少，可見的文獻(xiàn)主要有以下幾點(diǎn)：文獻(xiàn)[3]給出了采樣異常大數(shù)產(chǎn)生的原因，并提出一種檢測方法；文獻(xiàn)[4]給出了SV采樣報(bào)文異常大值的特征及檢測方案；文獻(xiàn)[5]采用了線性插值的方法識(shí)別異常大數(shù)；文獻(xiàn)[6]給出了合并單元采樣異常的識(shí)別方法，文獻(xiàn)[7]給出了采樣值的3點(diǎn)連續(xù)有效判別法。這些研究及方法為異常大數(shù)的檢測提供了很好的參考價(jià)值，但這些算法實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)窗較大，同時(shí)無法解決異常大數(shù)等問題。

1.2 檢測方法

電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，匯集到母線上的電流波形是正弦曲線，該波形曲線連續(xù)可導(dǎo)。當(dāng)母線區(qū)內(nèi)、區(qū)外發(fā)生故障時(shí)，各支路電流幅值及相位發(fā)生變化，包含衰減的直流分量及豐富的諧波分量，此時(shí)電流曲線仍然連續(xù)可導(dǎo)。當(dāng)受到干擾或者硬件故障導(dǎo)致出現(xiàn)異常大數(shù)時(shí)，異常大數(shù)出現(xiàn)的波段波形不連續(xù)且不可導(dǎo)。

母線保護(hù)一般采用分相比率制動(dòng)、差動(dòng)保護(hù)原理，正常運(yùn)行時(shí)根據(jù)各支路的運(yùn)行方式，計(jì)算母線保護(hù)的差動(dòng)電流及制動(dòng)電流。對于單母線及3/2接線方式僅有大差(或者小差)，對于其他諸如雙母線、雙母線單分段、雙母線雙分段等接線方式的母線保護(hù)，同時(shí)計(jì)算大差及小差。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，差流平衡，母線保護(hù)正常運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障時(shí)，母線差流將不平衡，根據(jù)差流情況結(jié)合抗CT(電流互感器)飽和判據(jù)，母線保護(hù)均能正確動(dòng)作。

基于母線保護(hù)差流的上述特點(diǎn)，本文提出虛擬差流的異常大數(shù)檢測方法，具體包含以下步驟。

(1)通過采集的各母線間隔連接支路電流，計(jì)算母線差流，差流計(jì)算如式(1)

(1)

式中：Id為母線連接各支路的電流采樣值Ik之和。對于單母線及3/2接線固定取差流，對于雙母線及雙母單分段等接線，取大差差流，即不包含母聯(lián)及分段的電流。

(2)對式(1)計(jì)算所得差流進(jìn)行線性插值，形成虛擬差流，同時(shí)計(jì)算差流和虛擬差流的誤差項(xiàng)，虛擬差流、誤差項(xiàng)、差動(dòng)保護(hù)計(jì)算見下式。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：n為當(dāng)前采樣點(diǎn)，n-1為前1采樣點(diǎn)，n-2為前2采樣點(diǎn)，Id1(n)為虛擬差流，Id2(n)為差流的誤差項(xiàng)，稱之為差異電流；Id(n)為當(dāng)前差流采樣值，Id(n-1)為前1點(diǎn)差流采樣值，Id(n-2)為前2點(diǎn)差流采樣值，K1為內(nèi)部門檻(K1典型取值范圍為0.5～0.6)；K(n)為當(dāng)前采樣點(diǎn)的差異系數(shù)，K為差異系數(shù)，考慮到差動(dòng)保護(hù)的快速性，式(5)采用采樣值算法，即N個(gè)采樣周期內(nèi)有M個(gè)點(diǎn)滿足時(shí)，即認(rèn)為式(5)成立；式(6)為差異電流的小區(qū)積分值，典型的數(shù)據(jù)窗長度為3～4個(gè)采樣周期；當(dāng)滿足式(5)的K大于設(shè)定的門檻值Kset(綜合考慮異常大數(shù)每周波出現(xiàn)的次數(shù)以及幅值，Kset取值為0.6～0.8)時(shí)，同時(shí)滿足式(6)的Id2(n)的小區(qū)積分大于內(nèi)部門檻值Iset(典型取值為差動(dòng)定值的0.3倍)時(shí)，則認(rèn)為異常大數(shù)，閉鎖差動(dòng)保護(hù)；否則，判斷為正常數(shù)據(jù)，開放差動(dòng)保護(hù)。

2 試驗(yàn)仿真

為驗(yàn)證本文所述防止異常大數(shù)的母線保護(hù)新方法的應(yīng)用效果，下文將從正常采樣下母線區(qū)內(nèi)故障、區(qū)外電流互感器(CT)飽和等電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器(RTDS)試驗(yàn)錄波進(jìn)行仿真，同時(shí)選取電磁兼容性(EMC)試驗(yàn)中浪涌、快速瞬變導(dǎo)致的傳統(tǒng)互感器采樣異常大數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，最后結(jié)合數(shù)字采樣情況下異常大數(shù)(分別來自數(shù)字化測試儀模擬以及一個(gè)現(xiàn)場真實(shí)波形)來驗(yàn)證算法的正確性。

2.1 正常情況下，母線區(qū)內(nèi)故障

通過某次RTDS試驗(yàn)的母線單相區(qū)內(nèi)金屬性接地故障波形進(jìn)行錄波回放，驗(yàn)證本文所述算法能夠不誤判為異常大數(shù)，波形回放情況如圖1所示。

圖1 區(qū)內(nèi)金屬性接地故障回放波形(截圖)

圖1中，計(jì)算的差異系數(shù)在差流形成初期，由于計(jì)算誤差(主要為過0附近插值算法誤差較大)導(dǎo)致滿足動(dòng)作式(5)判據(jù)，但差異電流不滿足式(6)判據(jù)，差動(dòng)保護(hù)仍可快速出口。

2.2 母線區(qū)外故障CT飽和

通過某次RTDS試驗(yàn)的母線區(qū)外故障CT飽和的波形進(jìn)行錄波，驗(yàn)證本文所述算法能夠不誤判為異常大數(shù)，波形回放如圖2所示。

圖2 區(qū)外故障CT飽和回放波形(截圖)

圖2中，計(jì)算的差異系數(shù)，由于計(jì)算誤差導(dǎo)致滿足動(dòng)作式(5)判據(jù)，但差異電流不滿足式(6)判據(jù)，差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)作。

2.3EMC浪涌試驗(yàn)導(dǎo)致的采樣異常大數(shù)

如圖3所示，在交流回路輸入0.9倍差動(dòng)動(dòng)作定值的電流，并在其回路進(jìn)行浪涌試驗(yàn)，當(dāng)出現(xiàn)異常大數(shù)時(shí)，本文所述的差異系數(shù)滿足動(dòng)作門檻，同時(shí)差異電流滿足動(dòng)作門檻，能夠檢測出異常大數(shù)，并進(jìn)行可靠閉鎖。

圖3 浪涌試驗(yàn)導(dǎo)致出現(xiàn)異常大數(shù)回放波形(截圖)

2.4EMC快速瞬變導(dǎo)致采樣異常大數(shù)

如圖4所示，在交流回路輸入0.9倍差動(dòng)動(dòng)作定值的電流，并在其回路進(jìn)行瞬變試驗(yàn)，當(dāng)出現(xiàn)異常大數(shù)時(shí)，本文所述的差異系數(shù)滿足動(dòng)作門檻，同時(shí)差異電流滿足動(dòng)作門檻，能夠檢測出異常大數(shù)，并進(jìn)行可靠閉鎖。

圖4 快速瞬變試驗(yàn)導(dǎo)致出現(xiàn)異常大數(shù)回放波形(截圖)

2.5 數(shù)字采樣異常

通過數(shù)字化測試儀模擬幅值異常導(dǎo)致的異常大數(shù)波形如圖5所示。試驗(yàn)方法為：通過數(shù)字化測試儀輸入0.9倍差動(dòng)動(dòng)作定值的電流，并在其回路施加每80點(diǎn)出現(xiàn)1點(diǎn)幅值10.000A的異常大數(shù)采樣激勵(lì)，如果不采用防止異常大數(shù)的母線差動(dòng)保護(hù)方法，差動(dòng)保護(hù)將誤動(dòng)，而使用本文所述方法，能夠檢測出異常大數(shù)，并進(jìn)行可靠閉鎖。

圖5 單點(diǎn)幅值異?；胤挪ㄐ?截圖)

通過數(shù)字化測試儀模擬多點(diǎn)異常導(dǎo)致的異常大數(shù)，試驗(yàn)波形如圖6所示。試驗(yàn)方法為：通過數(shù)字化測試儀輸入0.9倍差動(dòng)動(dòng)作定值的電流，并在其回路施加每80點(diǎn)出現(xiàn)5點(diǎn)幅值2.000A的異常大數(shù)采樣激勵(lì)，如果不采用防止異常大數(shù)的母線差動(dòng)保護(hù)方法，差動(dòng)保護(hù)將誤動(dòng)，使用本文所述方法，能夠檢測出異常大數(shù)，并進(jìn)行可靠閉鎖。

圖6 多點(diǎn)幅值異?；胤挪ㄐ?截圖)

3 結(jié)束語

通過分析正常波形和異常大數(shù)出現(xiàn)時(shí)母線差流的不同特點(diǎn)，本文提出了基于虛擬差流的檢測異常大數(shù)的新方法。通過試驗(yàn)仿真和現(xiàn)場運(yùn)行的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：在區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障和CT飽和時(shí)，該算法能夠做到不誤判為異常大數(shù)，在快速瞬變、浪涌導(dǎo)致出現(xiàn)異常大數(shù)時(shí)，該算法能準(zhǔn)確識(shí)別到異常大數(shù)，具有良好的可靠性，并且同時(shí)適用于常規(guī)采樣和數(shù)字采樣的母線保護(hù)。與已有算法相比，具有時(shí)間窗短、算法簡單穩(wěn)定和可識(shí)別多點(diǎn)異常情況的優(yōu)點(diǎn)，提高了母線保護(hù)在惡劣現(xiàn)場情況下的可靠性。

目前工程實(shí)施中，不考慮母線故障同時(shí)出現(xiàn)異常大數(shù)的情況。由于該算法閉鎖時(shí)間短，基于此前提，異常大數(shù)不可能長時(shí)間連續(xù)出現(xiàn)，母線保護(hù)能在幾個(gè)連續(xù)的正常采樣點(diǎn)處可靠動(dòng)作，因此本文所述方法具有良好的工程實(shí)用性。

[1]江偉建，錢嘯，郭磊，等.智能變電站交流采樣異常狀態(tài)分析和處理方法研究[J].浙江電力，2012，31(10)：16-18.

[2]唐翼,張曉莉，艾淑云.智能變電站數(shù)字采樣異常對繼電保護(hù)的影響驗(yàn)證[J].智能電網(wǎng)，2016，4(6)：623-625.

[3]吳文舉，占捷文.基于可去間斷點(diǎn)的連續(xù)采樣飛點(diǎn)檢測算法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43(4)：18-24.

[4]王劍宇，張曉莉，艾淑云.SV采樣報(bào)文異常大值的特征及檢測方案研究[J].電力勘測設(shè)計(jì)，2015(5)：47-52.

[5]劉萍，張艷霞，郭駿，等.基于線性差值的異常采樣值實(shí)時(shí)識(shí)別方法[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，31(4)：5-8.

[6]周兆慶，曹玉保.基于Labview的合并單元采樣異常的識(shí)別方法研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24(8)：171-173.

[7]吳通華，蔣雷海，李友軍，等.電力系統(tǒng)電氣量異常采樣值實(shí)時(shí)辨識(shí)方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(23)：95-97.

(編輯：劉炳鋒)

2017-02-13；

2017-03-22

TM 772

B

1674-1951(2017)04-0001-03

唐治國(1977—)，男，陜西寶雞人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)控制技術(shù)的研究及開發(fā)工作(E-mail:zhiguo-tang@sac-china.com)。

周小波(1986—)，男，江蘇泰州人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)控制技術(shù)的研究及開發(fā)工作(E-mail:xiaobo-zhou @sac-china.com)。

陳琦(1985—)，男，江蘇鹽城人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)控制技術(shù)的研究及開發(fā)工作(E-mail:carl-qi.chen@sac-china.com)。

王永旭(1991—)，男，山東日照人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)控制技術(shù)的研究及開發(fā)工作(E-mail:yongxu-wang@sac-china.com)。